Staring array - Staring array

"Focal-plane array" redireciona aqui. Para matrizes usadas em radiotelescópios, consulte Matriz de plano focal (radioastronomia) .

Uma matriz inicial , também conhecida como matriz de plano fixo ou matriz de plano focal ( FPA ), é um sensor de imagem que consiste em uma matriz (normalmente retangular) de pixels sensores de luz no plano focal de uma lente . Os FPAs são usados ​​mais comumente para fins de geração de imagens (por exemplo, tirar fotos ou criar imagens de vídeo), mas também podem ser usados ​​para fins não relacionados à geração de imagens, como espectrometria , LIDAR e detecção de frente de onda .

Na radioastronomia , o FPA está no foco de um radiotelescópio . Em comprimentos de onda ópticos e infravermelhos, pode se referir a uma variedade de tipos de dispositivos de imagem, mas no uso comum, refere-se a dispositivos bidimensionais que são sensíveis no espectro infravermelho . Dispositivos sensíveis em outros espectros são geralmente referidos por outros termos, como CCD ( dispositivo acoplado por carga ) e sensor de imagem CMOS no espectro visível. Os FPAs operam detectando fótons em comprimentos de onda específicos e, em seguida, gerando uma carga elétrica, voltagem ou resistência em relação ao número de fótons detectados em cada pixel. Essa carga, voltagem ou resistência é então medida, digitalizada e usada para construir uma imagem do objeto, cena ou fenômeno que emitiu os fótons.

As aplicações para FPAs infravermelhos incluem sensores de orientação de mísseis ou armas relacionadas, astronomia infravermelha, inspeção de fabricação, imagens térmicas para combate a incêndios, imagens médicas e fenomenologia infravermelha (como observação de combustão, impacto de arma, ignição de motor de foguete e outros eventos que são interessantes no infravermelho espectro).

Comparação com varredura de matriz

Mais informações: scanner de vassoura push e scanner de vassoura Whisk

Os staring arrays são diferentes dos scanners de array e TDI ( time-delay integration ) porque eles geram imagens do campo de visão desejado sem digitalização. As matrizes de varredura são construídas a partir de matrizes lineares (ou matrizes 2-D muito estreitas) que são rasterizadas no campo de visão desejado usando um espelho giratório ou oscilante para construir uma imagem 2-D ao longo do tempo. Um gerador de imagens TDI opera de maneira semelhante a uma matriz de varredura, exceto que as imagens perpendicularmente ao movimento da câmera. Uma matriz inicial é análoga ao filme em uma câmera típica; ele captura diretamente uma imagem 2-D projetada pela lente no plano da imagem. Uma matriz de varredura é análoga a juntar uma imagem 2D com fotos tiradas por uma fenda estreita. Um gerador de imagens TDI é análogo a olhar por uma fenda vertical para fora da janela lateral de um carro em movimento e construir uma imagem longa e contínua conforme o carro passa pela paisagem.

Matrizes de digitalização foram desenvolvidas e usadas devido às dificuldades históricas na fabricação de matrizes 2-D de tamanho e qualidade suficientes para imagens 2-D diretas. Os FPAs modernos estão disponíveis com até 2048 x 2048 pixels e tamanhos maiores estão em desenvolvimento por vários fabricantes. Matrizes de 320 x 256 e 640 x 480 estão disponíveis e acessíveis até mesmo para aplicações não militares e não científicas.

Construção e materiais

A dificuldade em construir FPAs de alta qualidade e alta resolução deriva dos materiais usados. Enquanto as imagens visíveis, como os sensores de imagem CCD e CMOS, são fabricadas em silício, usando processos maduros e bem compreendidos, os sensores IR devem ser fabricados a partir de outros materiais mais exóticos porque o silício é sensível apenas no espectro visível e próximo ao infravermelho. Materiais sensíveis ao infravermelho comumente usados ​​em matrizes de detectores de infravermelho incluem telureto de mercúrio e cádmio (HgCdTe, "MerCad" ou "MerCadTel"), antimonídeo de índio (InSb, pronuncia-se "Inns-Bee"), arsenieto de índio e gálio (InGaAs, pronuncia-se "Inn- Gas ") e óxido de vanádio (V) (VOx, pronunciado" Vox "). Uma variedade de sais de chumbo também podem ser usados, mas são menos comuns hoje. Nenhum desses materiais pode ser transformado em cristais em qualquer lugar perto do tamanho dos cristais de silício modernos, nem as bolachas resultantes têm quase a uniformidade do silício. Além disso, os materiais usados ​​para construir matrizes de pixels sensíveis ao infravermelho não podem ser usados ​​para construir os eletrônicos necessários para transportar a carga, voltagem ou resistência resultante de cada pixel para o circuito de medição. Este conjunto de funções é implementado em um chip chamado multiplexador , ou circuitos integrados de leitura (ROIC), e é normalmente fabricado em silício usando processos CMOS padrão. O conjunto de detectores é então hibridizado ou ligado ao ROIC, normalmente usando indium bump-bonding, e a montagem resultante é chamada de FPA.

Alguns materiais (e os FPAs fabricados a partir deles) operam apenas em temperaturas criogênicas , e outros (como silício amorfo resistivo (a-Si) e microbolômetros VOx ) podem operar em temperaturas não resfriadas. Alguns dispositivos só são práticos para operar criogenicamente, caso contrário, o ruído térmico afetaria o sinal detectado. Os dispositivos podem ser resfriados por evaporação, normalmente por nitrogênio líquido (LN2) ou hélio líquido, ou usando um resfriador termoelétrico .

Um aspecto peculiar de quase todos os FPAs de infravermelho é que as respostas elétricas dos pixels em um determinado dispositivo tendem a ser não uniformes. Em um dispositivo perfeito, cada pixel produziria o mesmo sinal elétrico quando recebesse o mesmo número de fótons de comprimento de onda apropriado. Na prática, quase todos os FPAs têm deslocamento significativo pixel a pixel e não uniformidade de resposta de foto pixel a pixel (PRNU). Quando não iluminado, cada pixel tem um nível de "sinal zero" diferente e, quando iluminado, o delta no sinal também é diferente. Essa não uniformidade torna as imagens resultantes impraticáveis ​​para uso até que tenham sido processadas para normalizar a foto-resposta. Este processo de correção requer um conjunto de dados de caracterização conhecidos, coletados do dispositivo particular sob condições controladas. A correção dos dados pode ser feita em software, em um DSP ou FPGA na eletrônica da câmera, ou ainda no ROIC nos mais modernos aparelhos.

Os baixos volumes, materiais mais raros e processos complexos envolvidos na fabricação e uso de IR FPAs os tornam muito mais caros do que as imagens visíveis de tamanho e resolução comparáveis.

Matrizes de aviões Staring são usadas em mísseis ar-ar modernos e mísseis antitanque , como o AIM-9X Sidewinder , ASRAAM

A conversa cruzada pode inibir a iluminação dos pixels.

Formulários

Imagem 3D LIDAR

Foi relatado que matrizes de plano focal (FPAs) são usadas para imagens 3D LIDAR .

Melhorias

Em 2003, uma placa de ensaio de 32 x 32 pixels foi relatada com recursos para reprimir a conversa cruzada entre os FPAs. Pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA usaram um colimador para coletar e direcionar o feixe de laser da placa de ensaio em pixels individuais. Já que baixos níveis de voltagem ainda foram observados em pixels que não iluminaram, indicando que a iluminação foi impedida por diafonia . Essa conversa cruzada foi atribuída ao acoplamento capacitivo entre as linhas de microfita e entre os condutores internos do FPA. Ao substituir o receptor na placa de ensaio por um com um comprimento focal menor, o foco do colimador foi reduzido e o limite do sistema para reconhecimento de sinal foi aumentado. Isso facilitou uma imagem melhor, cancelando a conversa cruzada.

Outro método era adicionar uma membrana de substrato plana e diluída (aproximadamente 800 angstroms de espessura) ao FPA. Isso foi relatado para eliminar a interferência pixel a pixel em aplicativos de imagem FPA. Em outro estudo de FPA com fotodiodo de avalanche , a gravação de trincheiras entre pixels vizinhos reduziu a interferência.

Veja também

Referências

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